MS – Mass Spectrometry Masena spektrometrija
MS – Mass Spectrometry
Masena spektrometrija
PRINCIP MASENE SPEKTROMETRIJE
od molekula se formiraju molekulski joni
molekulski joni se raspadaju na druge jone - fragmente
svi joni skreću u magnetnom ili električnom polju u zavisnosti od m/z (mass-to-charge ratio)
zapis svih jona čini maseni spektar
MASENI SPEKTROMETAR
•analitički instrument u kome se analizirani uzorak jonizuje, a obrazovani joni razdvajaju pod dejstvom magnetnog polja prema odnosu mase i naelektrisanja;
•pomoću masenog spektrometra može da se utvrdi šta sadrži uzorak (kvalitativna i strukturna analiza) i koliko analita je prisutno (kvantitativna analiza) u različitim uzorcima, sa velikom osetljivošću.
Osnovni delovi masenog spektrometra
Jonski izvor - gde se stvaraju joni od analiziranih molekula
Maseni analizator (maseni filter) - gde se analizirani joni razdvajaju u zavisnosti od odnosa mase i naelektrisanja (m/z)
Detektor i sistem za obradu podataka (kompjuter sa bazom podataka)
Istorijat masene spektrometrije
Dobitnici NOBELOVE NAGRADE
1897. otkriće elektrona i prvi maseni spektar 1906. Nobelova nagrada za fiziku
J.J. Thompson
Dobitnici Nobelove nagrade
Aston (1922. Hemija) - određivanje atomske mase i izotopskog sastava neona
Paul (1989. Fizika) – kvadrupolni maseni analizator
Tanaka i Fenn (2002. Hemija) – blage tehnike jonizacije (MALDI, ESI)
Kako radi maseni spektrometar?
Dobijanje jona Razdvajanje jona
Detekcija jona i obrada signala
Maseni spektar
Kako radi maseni spektrometar?
Metode jonizacije: EI CI APCI Electrospray MALDI
Dobijanje jona Razdvajanje jona
Detekcija jona i obrada signala
Maseni spektar
Kako radi maseni spektrometar?
Metode jonizacije: EI CI APCI Elektrosprej MALDI
Maseni analizatori: Magnetni Kvadrupolni Trapovi TOF
Dobijanje jona Razdvajanje jona
Detekcija jona i obrada signala
Maseni spektar
Delovi masenog spektrometra
Jonski izvor Napon za ubrzavanje jona Analizator (magnet, električno polje) Detektor Sistem za akviziciju (računar) Da bi joni prešli put od izvora do detektora treba da se
nalaze u vakuumu, pa su potrebne pumpe koje obezbeđuju nizak pritisak.
Mehanička pumpa
Difuziona pumpa
Turbomolekularna pumpa
Jonski izvori
Jonizacija elektronima (EI-Electron impact ionization)
U sudaru sa elektronima koje emituje usijana katoda (W ili Ru) molekuli uzorka se jonizuju:
M + e- → M+ + 2e- Joni uzorka se ubrzavaju i
usmeravaju ka MS Energija elektrona je 50 ili 70
eV.
Jonizacija elektronima Electronimpact ionization (EI)
Jonski izvori
Hemijska jonizacija (“nežna/meka” tehnika jonizacije)
Uzorak jonizuje reagens gas: metan, amonijak, izobutan
Jon-molekulske reakcije: CH5+ C2H5+ C3H5+ C2H3+ ….
M + C2H5+ → MH+ + C2H4
Hemijska jonizacija
CH4 + e- → CH4+ + 2e-
fragmentacija: CH3+ CH2+ CH+ H+
Razlika EI i CI
Razlika u EI i CI spektrima
Uzorak u gasnoj fazi
The Nobel Prize in Chemistry 2002
"for their development of soft desorption ionisation
methods for mass spectrometric analyses of
biological macromolecules"
Tanaka
MALDI
J. Fenn
ES
Jačina metoda jonizacije
„Gruba“ jonizacija
energija
“Meka” jonizacija
EI CI MALDI APCI, ESI
Jonski analizatori
Magnetni analizatori Analizatori koji mere vreme preleta jona Analiza jona u električnom polju Kvadrupolni analizatori Jonski trap
Magnetni MS
Magnetni analizator
Joni se ubrzavaju naponom V
eV=mv2/2 (1) m – masa jona e – naelektrisanje jona V – napon ubrzanja v – brzina jona Ulaskom u magnetni analizator dolazi do povijanja
putanje jonskog zraka. Svaki jon opisuje lučnu putanju poluprečnika R u magnetnom polju jačine H:
Hev=mv2/R (2) Eliminisanjem v iz jednačina (1) i (2) dobija se:
m/e=H2R2/2V (3) Kontinualnom promenom jačine magnetnog polja H
dovode se na detektor joni različite mase, odnosno snima se maseni spektar.
Kvadrupolni filter/maseni analizator
Kvadrupolni filter/maseni analizator
koristi se od1950-tih danas najčešće korišćen naziva se i maseni filter jer propušta samo jone
jednog odnosa m/z izdvaja jone na osnovu oscilacija u električnom polju
(kvadrupolno polje) korišćenjem AC i DC potencijala sastoji se od 4 paralelne metalne šipke ili elektrode suprotne elektrode imaju potencijal istog znaka
Detektor -elektronski multiplikator-
Detektor -elektronski multiplikator-
Vrste jona u masenom spektru
Molekulski jon -daje podatak o masi molekula uzorka Fragmentni joni –daju podatke o strukturi molekula
uzorka Protonovan molekulski jon (M+H)+- daje podatak o masi
molekula uzorka Deprotonovan molekulski jon (M-H)-- daje podatak o
masi molekula uzorka Klaster-joni (M+Na)+
Izotopski joni – daju podatke elementarnom sastavu molekula uzorka
Preuređeni joni Višestruko naelektrisani joni – m2+, m3+
EI maseni spektri
Molekulski jon naftalina m/z 128
EI maseni spektri
Molekulski jon heksana m/z 86
Fragmentni joni nastaju raskidanjem veze (71, 57, 43, 29, 15)
EI maseni spektri
Molekulski jon ima neparnu masu ako molekul sadrži 1, 3, 5.... atoma azota
EI maseni spektri
Molekulski jon ne mora uvek da bude prisutan u MS.
Preuređeni joni nastaju gubitkom malih neutralnih molekula (H2O).
Izotopski joni (primer Br2)
Izotopski joni
Izotopi
Koje jone vidimo u spektru metanola?
Višestruko naelektrisani joni
m + e- m2+ + 3e-
m + e- m3+ + 4e- Kako se razdvajanje jona vrši prema njihovom m/z
odnosu, dvostruko naelektrisani joni (z=2) javiće se u masenom spektru na prividno upola manjem masenom broju.
Najčešće se javljaju kod jedinjenja čiji su potencijali jonizacije niski (aromatična jedinjenja, organska jedinjenja koja sadrže heteroatome).
Višestruko naelektrisani joni u spektru etana
Metastabilni joni
joni koji nisu nastali u jonskom izvoru, nego su nastali na putu od izvora do detektora; daju pikove na decimalnim masenim brojevima; imaju manju energiju od stabilnih jona.
KUPLOVANE TEHNIKE
MS/MS analiza ICP-MS GC-MS LC-MS HPLC-MS
MS/MS
ICP-MS
Jonizacija u plazmi (ICP) Plazma: joni Ar+ se sudaraju
sa atomima uzorka (A) i jonizuju ih:
Ar+ + A → A+ + Ar Plazma se odrzava u RF
polju uz neprekidan dotok argona.
Dobijaju se jonizovani atomi uzorka (A+).
ICP-MS
ICP-MS
Vakuum u MS se postiže: Mehaničkom pumpom
Visokovakuumskom
pumpom
ICP-MS
Primer – ICP-MS spektar Co
http://www.sisweb.com/mstools.htm
Primer – ICP-MS spektar Cl
http://www.sisweb.com/mstools.htm
Primer – ICP-MS spektar Br
http://www.sisweb.com/mstools.htm
Primer – ICP-MS spektar Hg
http://www.sisweb.com/mstools.htm
MS detektor
Povezivanje MS i hromatografa
Idealan detektor –MASENI SPEKTROMETAR Univerzalan (registruje MS spektar) Osetljiv na 1-100 pg jedinjenja Brz (prikupljanje podataka znatno kraće od
vremena eluiranja jedinjenja) Pouzdana kvalitativna analiza (MS i MS/MS) Pouzdana kvantitativna analiza (površina pika)
tR
GC-MS
Sample
Sample
5890
1.0 DEG/MI N
HEWLETT PACKARD
HEWLETT 5972A S
Mass e PACKARD
Detector
electiv
AD B C B AC
A B C D
Gas Chromatograph (GC) Mass Spectrometer
Separation Identification
B
A C D
D
MS
Povezivanje GC i MS detektora
?
GC-MS
GC-MS
LC-MS
Masena spektrometrija - primena
Koristi se za ispitivanje strukture i sastava organskih molekula.
Veoma moćna instrumentalna tehnika za analizu čistih supstanci.
Za analizu smeša povezuje se sa GC i HPLC.
Masena spektrometrija - primena Analize u organskoj, neorganskoj i bioorganskoj
hemiji Analiza geoloških uzoraka Kontrola u naftnoj, hemijskoj i farmaceutskoj industriji Analiza površina Zaštita okoline (pesticidi u hrani, zagađenje zemljišta,
vazduha i voda Forenzička/klinička analiza Nauka o materijalima
Masena spektrometrija - primena
Analize u farmaciji: Ispitivanje biološke aktivnosti (metabolizam lekova,
farmakokinetika, karakterizacija potencijalnih lekova, analiza produkata degradacije lekova , praćenje potencijalnih lekova, identifikacija mesta i mehanizma delovanja lekova )
Biomolekulska karakteritacija (proteini i peptidi, oligonukleotidi )
Klinička ispitivanja, mapiranje, dijagnostika In situ analize
MS – Mass SpectrometrySlide Number 2Slide Number 3� Osnovni delovi masenog spektrometraIstorijat masene spektrometrijeSlide Number 6Dobitnici Nobelove nagradeKako radi maseni spektrometar?Kako radi maseni spektrometar?Kako radi maseni spektrometar?Delovi masenog spektrometraMehanička pumpaDifuziona pumpaTurbomolekularna pumpaJonski izvoriJonizacija elektronima�Electronimpact ionization (EI)Jonski izvoriSlide Number 18Razlika EI i CISlide Number 20Jačina metoda jonizacijeJonski analizatoriMagnetni MSMagnetni analizatorKvadrupolni filter/maseni analizatorKvadrupolni filter/maseni analizatorSlide Number 27Detektor�-elektronski multiplikator-Vrste jona u masenom spektruEI maseni spektriEI maseni spektriEI maseni spektriEI maseni spektriIzotopski joni (primer Br2)Izotopski joniSlide Number 36Koje jone vidimo u spektru metanola?Višestruko naelektrisani joniVišestruko naelektrisani joni u spektru etanaMetastabilni joniKUPLOVANE TEHNIKEMS/MSICP-MSICP-MSICP-MSICP-MSPrimer – ICP-MS spektar CoPrimer – ICP-MS spektar ClPrimer – ICP-MS spektar BrPrimer – ICP-MS spektar HgSlide Number 51Slide Number 52GC-MSPovezivanje GC i MS detektora GC-MSGC-MSLC-MSMasena spektrometrija - primenaMasena spektrometrija - primenaMasena spektrometrija - primena